第七章 存储类、作用域、生命周期、链接属性

一、概念概述

1. 存储类
   存储类就是存储类型的位置，即变量在内存中的哪个地方存储，如：局部变量的存储类是栈；初始化为0或未初始化的全局变量的存储类是bss段；初始化非0的全局变量的存储类是.data段；

2. 作用域
   作用域是指变量起作用的代码范围，一般的作用域是当前的代码块（当前变量定义之后{}之间的范围）作用域，因此变量的定义一般都放在当前代码块的最前面。

#include <stdio.h>

int a = 10;		//全局变量
int main(void)
{
	int a = 5;	//局部变量
	if(1)
	{
		a = 1;
		printf("%d\n", a);	//此时a = 1
	}
	printf("%d\n", a);		//此时a = 5
	return 0;
}
void func(void)
{
	printf("%d\n", a);		//此时a = 10
}

3. 生命周期
   生命周期是指运行时从函数给这个参数分配内存空间，到该内存空间失效（无法访问或已重新分配给其他参数）；

4. 链接属性
   程序在生成可执行文件过程中，需要经过编译和链接，编译后的.o文件里面包含了很多符号、代码段、数据段、bss段等分段；符号就是参数名及函数名等，通过这些符号，将不同的.o文件链接在一起；

5. linux C的内存映像
   （1）只读段：代码段：可执行的程序；只读数据段：只读数据，const修饰的数据(平台不同也不一定)；
   （2）读写段：初始化不为0的全局变量及static修饰的局部变量；bss段：初始化未0或未初始化的全局变量及static修饰的局部变量；
   （3）堆：存放的变量取决于程序员自己的malloc和free；
   （4）文件映射区：程序运行是在内存中运行的，因此需要先将程序从flash中读取内存映射去，然后程序在内存映射区执行，将结果保存到flash中；
   （5）栈：局部变量、实参、返回值，都会保存在栈中；
   （6）内核映射区：将操作系统的内核映射到该区域，由于采用虚拟内存技术，因此每个进程都认位独享3G内存，0xC0000000以上的区域属于内核

6. 裸机C程序与OS下的C程序的区别
   C代码的运行需要环境，裸机中的代码运行需要自己搭建运行环境，如清bss，设置栈，调用main函数等；而在OS的状态下操作系统已经将该环境搭建好，可以直接运行C代码。

二、存储类详解

1. auto关键字
   auto关键字只有一个作用，就是修饰局部变量，成为自动局部变量。平时定义局部变量时，默认定义为自动局部变量，存储在栈中，即自动将auto关键字省略；

2. static关键字
   static关键字有两个作用：
   （1）修饰全局变量，成为静态全局变量。静态全局变量与普通全局变量的区别在链接属性上，见下面链接属性详解；
   （2）修饰局部变量，成为静态局部变量。静态局部变量与普通局部变量的区别在存储类与生命周期上：静态的存储类是.data段或.bss段，普通的是栈；静态的生命周期和全局变量一样，**因此下一次执行某函数时，该函数内静态局部变量的值依然是上一次该函数执行的结果，**普通的是函数结束；
   （3）静态局部变量与普通全局变量的对比：二者存储类和生命周期相同，但作用域与链接属性不同：静态局部变量的作用域是代码块作用域，和普通局部变量相同，而全局变量是文件作用域，和函数相同；静态局部变量的链接属性是无链接属性，而全局变量是外链接属性；

3. register关键字
   register关键字只有一个作用，就是编译器会将修饰的变量尽量分配在寄存器中，而非内存中。若变量分配在寄存器中，可以和普通变量同样使用，但可以极大地提高该变量的访问效率，一般用来修饰访问频率极高的变量。但修饰过的变量不一定真正的能分配到寄存器中，因为寄存器个数有限，可能还是会分配到内存中。

4. extern关键字
   （1）extern关键字的作用是声明全局变量，可以跨文件引用同一个全局变量。当在a.c中定义了一个全局比那辆int a = 5;，在b.c文件中，就可以通过extern声明变量a，extern int a;从而使b.c文件也可以同a.c一样使用变量a;
   （2）由于编译时，是以源文件为单位，因此当a.c未声明变量a就直接使用的话，编译器会因为无法识别而报错；而声明后就是告知编译器将在链接时将该变量链接到相应的文件；

5. volatile关键字
   （1）字面意思时易变的、可变的；在C中的作用就是提醒编译器不要优化某个参数或程序的运行，否则可能导致程序会出错：

int func()
{
	int a, b, c;
	//voiatile int a, b, c;
	a = 5;
	b = a;
	c = b;
	return c;
}

（2）当未加volatile关键字修饰a，b，c时，编译器为了提高程序运行效率，会优化程序，即程序只执行一行代码，让c == 5，直接return 5，但若在a = 5和b = a之间因为突发中断、其他线程、硬件等的原因而修改了a的值，由于编译器的优化，返回值仍会是5；而添加volatile后，程序会逐条执行程序，即当a的值改变了后，在执行b = a时，会将a的新值赋给b，避免程序运行错误；

6. restrict关键字
   （1）restrict只用来修饰指针参数，其他类型无意义。作用是告知编译器，该指针所指向的内容，若有修改必须居于该指针，其他方式无法修改该指针指向的内容，以此来提高编译器效率；

int func (int* x, int* y)	//int func(int * restrict x, int * restrict y)
{
	*x = 0;
	*y = 1;
	return *x;
}

（2）编译器为了保证正确，在return *x仍然会访问x，而不会return 0；而加了restrict关键字后，告知了编译器只能x才能访问x，其他方式无法修改*x，因此编译器可以放心大胆的直接renturn 0，提高了效率；

三、作用域详解

1. 局部变量作用域
   局部变量的作用域是代码块（即大括号{}之间的部分）中，自己定义后的部分。由于函数中还可能包含判断if或for、while等语句也有大括号，因此代码块小于等于函数；代码块中局部变量定义之前并非其作用域。

2. 全局变量和函数名作用域
   （1）全局变量和函数名的作用域是文件，即整个.c文件中，在该全局变量或函数定义了之后，都可以访问该变量或函数名。
   （2）全局变量和函数定义之前并非作用域，在函数定义之前访问可以通过声明，声明之后的范围也属于函数的作用域；

3. 同名掩蔽原则
   （1）若同名文件作用域未交叠，则相互之间无影响；
   （2）若同名文件作用域有交叠，则在交叠的地方，作用域小的屏蔽作用域大的。

四、生命周期

4. 局部变量
   局部变量存储在栈中，生命周期是临时的，函数的每次执行，都会分配，使用，释放一次该变量的内存，每次之间无关联；

5. 堆变量
   堆内存空间是客观存在的，有操作系统维护。代码只是根据需要，申请一块空间使用然后释放，释放后堆内存仍然存在；堆变量的生命周期是在Malloc和free之间，以外的时候无法访问原来的数据；

6. 数据段、bss段变量
   全局变量的生命周期，从程序开始执行到程序结束都存在。全局变量所占用的内存无法自己释放，因此若程序定义了过多全局变量，会一直占用大量的内存。

7. 代码段、只读数据段
   代码段即程序执行的代码，其实就是函数，根据平台不同，有时也会存放const修饰的变量和字符串常量。其生命周期也是持续到整个程序结束。

五、链接属性

1. C工程的组织架构
   （1）一个工程代码由众多.c文件与.h文件组成，程序生成就是通过编译和链接：编译将每个源文件编译生成.o文件，链接就是将多个由编译生成的.o文件链接在一起生成这个工程的可执行程序；
   （2）而链接的标志就是函数名、变量名等符号，如a.c中调用了b.中func1()函数，在链接时，连接器就会通过a.o中的func1函数名的符号，到b.o中找func1函数名的符号，找到后将b.o中的func1与a.o宏的func1链接在一起，程序运行时，b.o的func1函数名作为指针跳转到函数体中执行程序；

2. 三种链接属性
   （1）外链接：外链接就是可以跨文件链接，如普通全局变量和函数，通过extern声明或.h头文件就可以在整个工程内使用；
   （2）内链接：内链接就是只能在当前所在的.c文件内链接，如static修饰的全局变量和函数，只能在本文件内被使用，而无法跨文件；
   （3）无链接：无链接就是本身不参与链接，如所有的局部变量，宏，inline函数；

3. 全局变量与函数的同名冲突
   （1）由于全局变量与函数是外链接属性，因此同一个工程之中之间不能出现同名的全局变量/函数；
   （2）若两个.c文件中各自定义了一个全局变量的名字相同并都进行了初始化，系统认位定义了两个同名的全局变量；但若有一个或两个都未初始化，则系统会认位只是定义了一个全局变量，而将另一个.c文件中未初始化的全局变量作为声明，此时并不会报错误；
   （3）为了避免同名冲突，可以通过static修饰全局变量/函数，更改其链接属性为内链接，但所有该命名的全局变量/函数都无法进行外链接；